احتياطات السلامة وإجراءات التشغيل في (A) BSL-4 مختبر: 3. البيولوجيا الهوائية
Summary
As high-consequence pathogens can potentially infect subjects through airborne particles, aerobiology has been increasingly applied in pathogenesis research and medical countermeasure development. We present a detailed visual demonstration of aerobiology procedures during an aerosol challenge in nonhuman primates in an animal biosafety level 4 maximum containment environment.
Abstract
Aerosol or inhalational studies of high-consequence pathogens have recently been increasing in number due to the perceived threat of intentional aerosol releases or unexpected natural aerosol transmission. Specific laboratories designed to perform these experiments require tremendous engineering controls to provide a safe and secure working environment and constant systems maintenance to sustain functionality. Class III biosafety cabinets, also referred to as gloveboxes, are gas-tight enclosures with non-opening windows. These cabinets are maintained under negative pressure by double high-efficiency-particulate-air (HEPA)-filtered exhaust systems and are the ideal primary containment for housing aerosolization equipment. A well planned workflow between staff members within high containment from, for instance, an animal biosafety level-4 (ABSL-4) suit laboratory to the ABSL-4 cabinet laboratory is a crucial component for successful experimentation. For smooth study execution, establishing a communication network, moving equipment and subjects, and setting up and placing equipment, requires staff members to meticulously plan procedures prior to study initiation. Here, we provide an overview and a visual representation of how aerobiology research is conducted at the National Institutes of Health, National Institute of Allergy and Infectious Diseases Integrated Research Facility at Fort Detrick, Maryland, USA, within an ABSL-4 environment.
Introduction
يحدث انتقال الفيروسات عموما من أمراض مباشرة أو اتصال جسدي، ولكن العديد من مهمة الفيروسية (على سبيل المثال، والحصبة، والجديري المائي والانفلونزا) سببها مسببات الأمراض التي تنتقل عن طريق الرزاز أو الرذاذ التنفسي. هذه الجراثيم لديها القدرة على إحداث جائحة مع عواقب تتراوح من مرض خفيف على نطاق واسع المرتبطة فقدان العمل (على سبيل المثال، نزلات البرد) إلى ندرة مرض خطير مع الفتك عالية (على سبيل المثال، والجدري). مسببات الأمراض عالية نتيجة التي تنتشر بشكل طبيعي عن طريق الهباء الجوي أو عن طريق إطلاق الهباء الجوي المتعمد (الأسلحة البيولوجية) لهما أهمية خاصة للالبيولوجيا الهوائية 1. البشر قد تصاب بالعدوى بسرعة مع بعض من هذه الجراثيم عن طريق الرذاذ التنفسي كبيرة أو نوى الجسيمات الصغيرة وسهولة انتشار هذه الجراثيم إلى الآخرين عن طريق الإفرازات اللعابية، والسعال، والعطس 2. في مجتمع الدفاع البيولوجي الولايات المتحدة ومسببات الأمراض عالية نتيجة (على سبيل المثال، filoviruses أو غيرها من المعهد المذكور كاليفورنياtegory AC الأولوية مسببات الأمراض ومنها الإرهاب البيولوجي وكلاء) هي محور برامج البحوث الهباء الجوي بسبب الفتك عالية من العدوى المرتبطة 3،4. وقد خطت خطوات علمية مهمة في مجال البيولوجيا الهوائية خلال العقد الماضي بسبب التقدم التكنولوجي في مجال المعدات الهباء الجوي ومرافق احتواء ارتفاع 5،6. وتركز أبحاث في المعاهد الوطنية للصحة، والمعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية (NIH / NIAID)، ومرفق البحوث المتكاملة في فورت ديتريك تقع في فريدريك، MD، الولايات المتحدة الأمريكية (IRF-فريدريك) على ارتفاع نتيجة-مسببات الأمراض الناشئة التي تتطلب السلامة الأحيائية الحيوان مستوى 4 (ABSL-4) الاحتواء. بعثة العامة للIRF-فريدريك في تقييم وتسهيل تطوير لقاحات وعلاجات (المضادة الطبية).
يخضع بحث مع مسببات الأمراض عالية نتيجة، في IRF-فريدريك التي كتبها السلامة الأحيائية صرامة ورعاية الحيوان ومتطلبات الاستخدام. هذه اشتراطاتوترد بيانات أدلى في السلامة الأحيائية في الميكروبيولوجية والمختبرات الطبية الحيوية (BMBL) دليل (7) واللوائح الرفق بالحيوان الاتحادية. ويمكن لهذه المتطلبات الضرورية تقييد النوع من البحوث التي يمكن القيام بها وتؤثر تصميم الدراسة بشكل عام. كما وصفنا سابقا في هذه المجلة، كل الأبحاث التي أجريت في بيئة ABSL-4 يتطلب الحذر بشكل خاص، والتدريب المتخصص، ومرفق قوية وزائدة عن الحاجة البنية التحتية 8،9.
دخول IRF-فريدريك ABSL-4 دعوى المختبر يتطلب يرتدي الضغط الإيجابي التغليف دعوى 8. إيجابي الضغط التغليف الدعاوى ليست مطلوبة لدخول مجلس الوزراء مختبر ABSL-4. ارتداء بدلة فرك والمطاط أو النتريل قفازات وأحذية الأصابع مقرب من المناسب عند التعامل مع مجموعة المخاطر 4 المواد المعدية ضمن شهادة الدرجة الثالثة للسلامة الأحيائية مجلس الوزراء (BSC) في ABSL-4 مجلس الوزراء مختبر 7.
في IRF-فريدريك، تم تصميم معدات الهباء الجوي، وتجميعها، والمحافظة عليها في اثنين مغلقة بإحكام BSCs، الفولاذ المقاوم للصدأ، محكمة الغلق، الضغط السلبي الدرجة الثالثة، الشكل 1. وIRF-فريدريك البيولوجيا الهوائية الأساسية يعمل على منصة إدارة الهباء الجوي الآلي ( AAMP) لمراقبة ورصد التجارب الهباء الجوي داخل هذه BSCs، الشكل 2. أوجز المنشور السابق وظائف محددة من BSCs الدرجة الثالثة في IRF-فريدريك والاتصال إلى المختبر دعوى عبر منفذ المار 5. إجراءات إعداد الثالث ش.م.ب الدرجة قبل التجريب تقتصر على الحرية الدينية الدولية. الفئة BSCs الثالث الأخرى المستخدمة في المؤسسات الأخرى بشكل مماثل إلى الدرجة الثالثة ش.م.ب قيد الاستخدام في IRF، لكن قد يكون لها آليات مختلفة للنقل، والوصول، أو لرسو السفن.
لمزيد من فهم كيف تبقى الجراثيم عالية نتيجة المعدية وينتشر عن طريق نقل الهباء الجوي، عبد اللطيف آمنيجب إجراء التجارب robiological في BSCs هذه الفئة الثالثة وفقا لإجراءات سير العمل معين. وكان الباحثون بعناية وتدريبهم بدقة لضمان سير العمل هذا ويتبع بطريقة آمنة ومتسقة. تتم قبل غير البشرية الرئيسيات (NHP) التحدي الهباء الجوي، العديد من الخصائص الهباء الجوي أو يعمل الهباء الجوي صورية لاختبار استقرار وسلامة وكيل عندما تكون في شكل رذاذ. يحاكي عملية الهباء الجوي توصيف التحدي الهباء الجوي الفعلي، والباحث تقييم المتغيرات المرتبطة بها في دراسات الهباء الجوي.
جزء آخر من العمل هو تسجيل التلاعب البدنية، والإدارة أو التخدير أو غيرها من العوامل، أو إجراءات روتينية على الخرائط لكل NHP. ويتم تحليل هذه المخططات تخضع بدقة لضمان اتساق الإجراءات وتوحيدها. يتم تخدير الموضوعات قبل الهباء الجوي التعرض. وتشمل التخدير سبيل المثال تلييتامين / zolazepam، الكيتامين / آسيبرومازين، وketamiشمال شرق. ويتم اختيار التخدير بناء على التقليل من قمع الجهاز التنفسي وتعزيز رقابة، تنفس ثابتة للدولة. تتم المحافظة على إمدادات التخدير إضافية في الحيوان غرف الداخلي ونقل على عربة نقل مع NHP إلى مجلس الوزراء مختبر البيولوجيا الهوائية ABSL-4.
ضمن دعوى مختبر ABSL-4، الرئيسيات الخضوع تخطيط التحجم عبر واحدة من طريقتين (أي تخطيط التحجم الرأس خارج، الجهاز التنفسي تخطيط التحجم الاستقرائي [RIP]) لتحديد حجم المد والجزر الشهيق ومعدل التنفس يغير 10-12. وتستخدم هذه المعايير المستمدة لحساب دقيق للجرعة استنشاق قدر من العامل الممرض مباشرة قبل أو أثناء التعرض الهباء الجوي. يستخدم تخطيط التحجم الرأس خارج طويلة، غرفة اسطوانية الذي يضم NHP 13. يتم التقاط انخفاض الضغط المتولد حيوان في الاسطوانة من قبل مخطاط سرعة التنفس، تنقل إلى مكبر للصوت، وتجهيزها من قبل / CURREN التيار المتردد مباشرةتي تحويل، ودمجها في برنامج لاستخلاص المعلمات الرئوية أعلاه. يستخدم RIP أجهزة الاستشعار المصنوعة من حثي الأسلاك النحاسية الملتفة التي هي جزء لا يتجزأ في أربطة مرنة حول الصدر هذا الموضوع والبطن 11،12. ومكثف الاستقرائي يولد المجال المغناطيسي في الاستشعار. يتغير التنفس الحقل المغناطيسي للأرض، ويتم ترحيل التغييرات الجهد الناتج من جهاز الإرسال إلى جانب شريط مطاطي إلى جهاز استقبال في جهاز الكمبيوتر عن طريق الطول الموجي القصير موجات الراديو تردد فائقة. يحدد برامج مخصصة معدل التنفس وحجم المد والجزر من إجمالي النزوح الصدري.
يتم استخدام حجم الدقيقة (MV) التي تم الحصول عليها من خلال تخطيط التحجم في حساب الجرعة المستنشقة المقدرة (D). في توليد وأخذ العينات الهباء الجوي، ويتم احتساب تركيز الهباء الجوي (AC) بضرب تركيز biosampler (قبل الميلاد) من خلال حجم وسائل الإعلام (V) وقسمة نتيجة ضرب معدل تدفق biosampler (فلوريدا) من قبلوقت التعرض (T). ويمثل صيغة مبسطة كما AC = ق س V ÷ FL س ت في المقابل، لهذا التحدي الهباء الجوي الفعلي في الرئيسيات، ويتم احتساب D بضرب AC بواسطة MV ومدة التعرض (الوقت = T). ويمثل صيغة مبسطة كما D = AC س س ت MV
والغرض من هذه المقالة هو لإظهار بصريا الإجراء التحدي الهباء الجوي بأكمله باستخدام الرئيسيات من وجهتي نظر، فإن الجانب دعوى مختبر ABSL-4 والجانب مجلس الوزراء مختبر ABSL-4. على الرغم من أن هذه الإجراءات قد تكون عامة في طبيعتها لعدة الممارسات المشار إليها، فهي محددة لIRF-فريدريك البيولوجيا الهوائية الأساسية وتمثل الممارسات الفعلية المستخدمة في هذه المؤسسة. تركز هذه المقالة على إجراءات السلامة البيولوجية اللازمة لأداء بأمان التحدي الهباء الجوي، وليس التحدي الهباء الجوي الفعلي نفسه. في هذه الإجراءات، ونحن نستخدم مادة وهمية لإظهار ممارسات السلامة الأحيائية، وذلك بسبب المخاطر المرتبطة التخدير وNHP. ومع ذلك، فإن عملية PERFOrming تحديا الهباء الجوي هو مكتوب بشكل عام لأن الإجراء هو نفسه بغض النظر عن العوامل المسببة للأمراض عالية نتيجة المستخدمة. ونحن نهدف إلى تعزيز معرفة وفهم العلماء حول قسوة إجراء دراسات الهباء الجوي من مسببات الأمراض نتيجة عالية في ظل ظروف الاحتواء القصوى.
Protocol
Representative Results
Discussion
ونحن الخطوط العريضة للإجراءات البيولوجيا الهوائية المستخدمة في IRF-فريدريك للعمل مع عالية الخطورة (مجموعة الخطر 4) مسببات الأمراض. هدف واحد من تصور إجراءات bioaerosol هو التأكيد على سلامة الموظفين عند استخدام الدرجة الثالثة BSC خلال التجريب مع هذه الجراثيم لتجنب العدوى الم?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The content of this publication does not necessarily reflect the views or policies of the US Department of Health and Human Services (DHHS) or of the institutions and companies affiliated with the authors. This work was funded in part through Battelle Memorial Institute’s prime contract with the US National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) under Contract No. HHSN272200700016I. J.K.B., K.J., M.R.H., D.P., L.B., and J.W. performed this work as employees of Battelle Memorial Institute. Subcontractors to Battelle Memorial Institute who performed this work are: J.H.K., an employee of Tunnell Government Services, Inc.; and M.G.L., an employee of Lovelace Respiratory Research Institute.
Materials
| Micro-Chem Plus | National Chemical Laboratories | 255 | |
| Ethanol | Fisher | BP2818500 | |
| Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 441244 | |
| Class III BSC | Germfree | DGB-10 | |
| Integrated BSC gloves | Piercan | 10UY2032-9 | |
| Aerosol Management Platform (AeroMP) | Biaera Technologies | NA | |
| Head-out plethysmography | Buxco/Data Sciences International | NA | |
| Respriatory inductive plethysmography | Data Sciences International | NA | |
| Centered flow tangential aerosol generator (CenTAG) | CH Technologies | NA | |
| Collison nebulizer | BGI Inc. | CN25 | |
| Autoclave | Getinge | GEB 2404 AMB-2 | |
| Sperian positive-pressure suit | Honeywell Safety Products | BSL 4-2 | |
| Outer suit gloves (latex, Ansell Canners and Handlers) | Fisher | 19-019-601 | |
| Outer suit gloves (nitrile/rubber, MAPA) | Fisher | 2MYU1 | |
| Scrubs | Cintas | 60975/60976 | |
| Socks | Cintas | 944 | |
| Duct tape | Pack-N-Tape | 51131069695 | |
| Towels | Cintas | 2720 | |
| O-rings | O-ring warehouse | AS568-343 | |
| Overshoes | Amazon | B0034KZE22 | |
| Zip lube | Amazon | B000GKBEJA |
References
- Alibek, K., Handelman, S. . The chilling true story of the largest covert biological weapons program in the world-told from inside by the man who ran it. , (1999).
- Roy, C. J., Pitt, L. M., Swearingen, J. R. Infectious disease aerobiology: aerosol challenge methods. Biodefense: research methodology and animal models. , 61-76 (2006).
- Lackemeyer, M. G., et al. ABSL-4 aerobiology biosafety and technology at the NIH/NIAID integrated research facility at Fort Detrick. Viruses. 6 (1), 137-150 (2014).
- Bohannon, J. K., et al. Generation and characterization of large-particle aerosols using a center flow tangential aerosol generator with a non-human-primate, head-only aerosol chamber. Inhal Toxicol. , (2015).
- Chosewood, L. C., Wilson, D. E., eds, . Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories. , (2009).
- Janosko, K., et al. Safety Precautions and Operating Procedures in an (A)BSL4 Laboratory: 1. Biosafety level 4 suit laboratory suite entry and exit procedures. J Vis Exp. , (2015).
- Mazur, S., et al. Safety Precautions and Operating Procedures in an (A)BSL4 Laboratory: 2. General Practices. J Vis Exp. , (2015).
- Mortola, J. P., Frappell, P. B. On the barometric method for measurements of ventilation, and its use in small animals. Can J Physiol Pharmacol. 76 (10-11), 937-944 (1998).
- Zhang, Z., et al. Development of a respiratory inductive plethysmography module supporting multiple sensors for wearable systems. Sensors (Basel). 12 (10), 13167-13184 (2012).
- Ingram-Ross, J. L., et al. Cardiorespiratory safety evaluation in non-human primates. J Pharmacol Toxicol Meth. 66 (2), 114-124 (2012).
- Besch, T. K., Ruble, D. L., Gibbs, P. H., Pitt, M. L. Steady-state minute volume determination by body-only plethysmography in juvenile rhesus monkeys. Lab Anim Sci. 46 (5), 539-544 (1996).
